IJHMT：烧结多孔铜微通道内的流动沸腾

论文信息：

Zhaoxuan Liu , Jingwei Han , Xiaohu Wu , Biao Zhang , Wenming Li, Flow boiling in sintered porous copper microchannels,International Journal of Heat and Mass Transfer 261 (2026) 128524

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.128524

Part.1

研究背景

人工智能系统、数据中心和电动汽车逆变器的快速发展，对高功率密度电子器件的冷却技术提出了巨大挑战。有效的冷却技术能保障电子器件的安全运行，尤其是在超高热流密度工况下。然而，强制冷却、单相液冷、均热板和热管等传统冷却方式，无法实现超高热流密度的热量耗散。迄今为止，研究人员已将微腔、微孔结构和纳米结构涂层等多种微 / 纳结构集成到微通道中，通过大幅增加成核点显著强化核态沸腾，同时气泡脱离尺寸的减小也能大幅提高气泡脱离频率。另一方面，分段式 / 互连式微通道可通过控制成核尺寸，促进气泡的生长与脱离。除核态沸腾外，薄膜蒸发是微通道流动沸腾的另一强化因素，其过程受两相流流型转变的影响。为同时强化核态沸腾和薄膜蒸发，本研究设计了一种新型微通道结构，其特征为烧结铜粉多孔侧壁，并采用铜网替代粉体基底烧结在微通道底面，大幅降低热阻。为进行全面对比，本研究还制备了另外两种样品，包括底面为 1 mm 厚烧结粉体的多孔微通道和数控加工的光滑壁面微通道。

Part.2

研究内容

图 1展示了本研究设计的三种结构完全不同的微通道散热器，包括数控加工光滑壁面微通道、1 号多孔微通道和 2 号多孔微通道，微通道散热器的长、宽、高分别为 20 mm、10 mm、1 mm，微通道宽度为 0.5 mm，散热器包含 10 条平行微通道。

图 1 三种微通道结构示意图及其热阻网络：(a) 数控加工光滑壁面微通道；(b) 1 号多孔微通道；(c) 2 号多孔微通道

图 2 展示了两种散热器的结构示意图及尺寸参数，为测量分布式温度，在微通道底面下方布置了七个热电偶，热电偶间的间距各不相同。图 2 (b) 和图 2 (e) 为两种多孔微通道的详细尺寸，图 2 (c) 和图 2 (f) 为两种微通道结构的扫描电镜图像。

图 2 两种散热器的结构示意图：(a) 1 号多孔微通道散热器整体图及温度测量点；(b) 1 号多孔微通道的尺寸参数；(c) 粉体烧结多孔微通道（1 号）的扫描电镜图像；(d) 2 号多孔微通道散热器整体图及温度测量点；(e) 2 号多孔微通道的尺寸参数；(f) 铜网烧结多孔微通道（2 号）的扫描电镜图像

本研究开发了先进的烧结工艺制备微通道散热器。图 3 (a) 为烧结过程的简化示意图，包括粉体填充、铜块压实后高温烧结和脱模三个步骤；图 3 (b) 为 1 号多孔微通道的烧结工艺。图 4 为 2 号多孔微通道的制备工艺。本研究在三种平整表面（数控加工平整表面、粉体烧结平整表面、铜网烧结平整表面）上进行了静态接触角测量。

图 3 1 号多孔微通道散热器的制备工艺：(a) 烧结工艺简图；(b) 具体制备流程

图 4 2 号多孔微通道散热器的制备流程

图 5 (a) 为三种样品的静态接触角图像。图 5 (b)、5 (c) 和 5 (d) 为本研究还开展的液滴在三种表面上的动态撞击实验。

图 5 三种不同平整表面的静态接触角测量结果 (a) 及液滴在不同表面的动态行为：(b) 数控加工光滑壁面微通道；(c) 1 号多孔微通道；(d) 2 号多孔微通道

为表征测试样品的芯吸性能，本研究开展了毛细上升实验。具体而言，将平整的数控加工表面样品和两种烧结样品垂直置于储水槽中，通过高速摄像机以 120 帧 / 秒的帧率记录毛细上升过程，结果如图 6 所示。

图 6 不同表面的毛细上升对比：(a) 数控加工平整表面；(b) 粉体烧结平整表面；(c) 铜网烧结平整表面；(d) 毛细上升高度随时间的变化实测曲线

图 7 为实验装置示意图，该系统由铜微通道散热器、聚醚醚酮流道壳体、石英玻璃板（导热系数约 1.3 W・m⁻¹・K⁻¹，透光率 93%）和不锈钢盖板组成。

图 7 测试段的主要组成部件

实验测量装置主要由可视化模块、数据采集仪器和开式循环系统组成。储气瓶提供的高压氮气作为液体流动的驱动力，齿轮流量计（CX-M5.2，精度 ±0.5%）监测体积流量，T 型热电偶（欧米茄，精度 ±0.5℃）采集温度数据，PCM300D 压力传感器（精度 ±0.5%）获取进出口压力，流量、温度和压力信号通过安捷伦 34970A 数据采集仪记录，高速摄像机（Photron FASTCAM SA4）用于记录两相流行为（图 8）。

图 8 实验系统整体示意图

本研究对实验测试段的散入空气中的热损失进行了测量，图 9 显示微通道蒸发器的热损失与壁面平均温度呈线性关系。计算得到的显热增量与热电偶测得的温差进行对比，通过相关公式确定理论温差，并将实测数据与基于守恒原理的理论预测值进行对比，图 10 显示实验结果与理论值吻合良好。

图 9 热损失标定曲线

图 10 实测温差与基于能量守恒的理论预测值对比

本研究通过实验研究了三种不同结构微通道内的流动沸腾传热特性，图 11 展示了不同流量下各微通道的流动沸腾曲线，反映了热流密度随壁面过热度的变化规律，二者呈单调递增关系。图 11 还展示了总传热系数随热流密度的变化情况。

图 11 不同流量下，烧结多孔壁面微通道与数控加工光滑壁面微通道的传热性能

多孔微通道可通过丰富的成核点，显著降低泡核起始过热度，强化核态沸腾传热。图 12 对比了两种多孔微通道与数控加工微通道的流动沸腾传热性能，选取两种入口流量开展对比实验。

图 12 烧结多孔壁面微通道与数控加工光滑壁面微通道的热性能对比

图 13 对比了 50 mL・min⁻¹ 和 70 mL・min⁻¹ 体积流量下，不同微通道的实测总压降。两相流压降随有效热流密度的增加显著上升，这是由于流动沸腾过程中产生大量蒸汽，气泡运动加速所致。

图 13 50 mL・min⁻¹ 和 70 mL・min⁻¹ 流量下的实测压降对比

为阐明烧结多孔微通道流动沸腾性能的强化机制，本研究开展了可视化研究。图 14 首先展示了低热流密度工况下，数控加工光滑壁面微通道三个区域的典型核态沸腾现象。

图 14 30 mL・min⁻¹ 流量、80 W・cm⁻² 热流密度工况下，核态沸腾现象及两相流流型沿通道的转变过程（数控加工光滑壁面微通道）

图 15 显示两种烧结多孔微通道内的核态沸腾十分剧烈，原因是人工成核点的大量增加，成核气泡的尺寸更小，进而显著提高气泡脱离频率。

图 15 30 mL・min⁻¹ 流量、80 W・cm⁻² 热流密度工况下，多孔微通道内的强化核态沸腾现象：(a) 1 号多孔微通道；(b) 2 号多孔微通道

在更高热流密度、出口蒸汽干度更大的工况下，烧结多孔微通道与数控加工光滑壁面微通道的两相流流型差异更为显著。蒸汽占比的增加，会加剧受限微通道内的两相流流型转变。

图 16 液体更新行为的差异：(a) 数控加工光滑壁面微通道入口段出现严重蒸汽回流，且蒸汽弹持续时间长；(b) 1 号多孔微通道入口段出现蒸汽回流，但液体补充速度快；(c) 30 mL・min⁻¹ 流量、150 W・cm⁻² 热流密度工况下，2 号多孔微通道内液体快速再润湿，形成连续液膜

传统的在基底烧结较厚铜粉层的多孔微通道，传热效率较低。与之相比，本研究提出了一种改进结构，将单层铜网直接烧结在微通道基底，该方法在保留剧烈沸腾所需丰富成核点的同时，最大限度降低了热阻，因此即使在高热流密度工况下，也能维持稳定、高效的传热。此外，多孔铜网带来的强化毛细芯吸和快速液体再润湿作用，大幅延缓了干涸现象的发生，共同促成了临界热流密度的显著提升（图 17）。

图 17 不同微通道的临界热流密度对比图 18 280 W・cm⁻² 热流密度、70 mL・min⁻¹ 流量工况下，不同散热器的 (a) 壁面温度和 (b) 两相流压降振荡对比

本研究对三种散热器内微通道流动沸腾的稳定性进行了测试和对比，图 18 展示了 70 mL・min⁻¹ 流量、280 W・cm⁻² 热流密度工况下，30 s 短时间内壁面平均温度和两相流压降的变化情况。在此工况下，三种散热器内均出现无序的两相流，同时壁面温度和压降呈现明显的波动。

图 18 280 W・cm⁻² 热流密度、70 mL・min⁻¹ 流量工况下，不同散热器的 (a) 壁面温度和 (b) 两相流压降振荡对比

Part.3

研究总结

本研究系统探究了烧结多孔微结构对微通道流动沸腾传热的影响，通过单层铜网替代铜粉基底烧结于微通道底面，大幅降低基底热阻，同时借助烧结多孔微结构强化毛细作用、促进液体铺展。对比实验表明，传统铜粉基底多孔微通道因高热阻限制了高热流密度下的散热性能，而铜网基底的多孔微通道（）可在保持强毛细芯吸能力的同时降低热阻，使泡核起始过热度大幅降低至 0.2~2 K，还能通过多孔侧壁促进液体铺展与毛细再润湿，形成稳定薄液膜、抑制局部干涸。该结构在 90 mL・min⁻¹ 流量下实现了 500 W・cm⁻² 的临界热流密度，70 mL・min⁻¹ 流量下传热系数较数控光滑壁面微通道提升 210.3%，且未增加压降，流动沸腾的温度和压降稳定性也显著提升。本研究明确了基底热阻在多孔微通道设计中的关键作用，为研发高性能流动沸腾散热器提供了可规模化的技术方案。

Flow boiling in sintered porous copper microchannels.pdf

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